JVM探秘：四种引用、对象的生存与死亡

本系列笔记主要基于《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践 第2版》，是这本书的读书笔记。

Java虚拟机的内存区域中，程序计数器、Java栈和本地方法栈是线程私有的，随线程而生随线程而灭，因此这几个区域的内存回收和分配都有确定性，所以主要探究的是Java堆和方法区的内存分配及回收。

Java堆

在Java堆中存放着所有的对象实例，垃圾收集器在对堆进行回收前，第一件事就是判断这些对象中哪些还存活，哪些已经死去（即不会再被使用到的对象）。

Java中的引用

在JDK1.2及之前，关于引用的定义是这样的：如果一块内存中存储的数值代表的是另外一块内存的起始地址，就称这块内存代表一个引用（reference）。但是这种定义比较狭隘，一个对象就只有被引用和没有被引用两种状态。还有这样一种“食之无味，弃之可惜”的对象：当内存空间充足时，则能继续保留在内存中，如果内存空间在垃圾收集后非常紧张，则可以抛弃这些对象。很多缓存功能都符合这样的应用场景。

在JDK1.2之后，对引用的概念进行了扩充，将引用分为强引用（Strong Reference）、软引用（Soft Reference）、弱引用（Weak Reference）、虚引用（Phantom Reference）4种，这4种引用强度依次递减：

• 强引用（Strong Reference）就是在代码中普遍存在的，类似“Object obj = new Object()”这类的引用，只要强引用还存在，垃圾收集器永远不会回收被引用的对象。

• 软引用（Soft Reference）是用来描述有用非必需的对象。软引用关联的对象，在系统将要发生内存溢出之前，将会对这些对象进行二次回收。如果这次回收后还没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。上面所说的“食之无味，弃之可惜”的对象就是属于软引用。

• 弱引用（Weak Reference）是用来描述非必需的对象，但是比软引用更弱一些，弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生之前。当下一次垃圾收集时，无论内存是否足够，都会回收掉被弱引用关联的对象。

• 虚引用（Phantom Reference）也称为幽灵引用或者幻影引用，它是最弱的一种引用。一个对象是否有虚引用存在，完全不会对其生存时间造成任何影响，也无法通过虚引用获得一个对象实例。为对象设置虚引用的目的，就是能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。

引用计数算法

很多书中判断对象是否存活的算法是这样的：给对象中添加一个引用计数器，每当一个地方引用它，计数器值就加1；当引用失效时，计数器值就减1；任何时刻计数器为0 的对象就是不再被使用的。

引用记数算法虽然实现简单，判定效率也高，但是有一个弊端，就是它很难解决对象之间相互循环引用的问题。下面的代码中，objA和objB互相引用，如果使用引用计数法，这两个对象的引用计数器值都为1，会导致垃圾收集器无法回收它们。

/**
 * 引用记数算法测试
 * VM Args: -XX:+PrintGCDetails
 * Run With JDK 1.8
 * */
public class ReferenceCountingGC {

    public Object instance = null;
    private static final int _1M = 1024 * 1024;
    private byte[] bigSize = new byte[2 * _1M];

    public static void main(String[] args) {
        ReferenceCountingGC objA = new ReferenceCountingGC();
        ReferenceCountingGC objB = new ReferenceCountingGC();
        objA.instance = objB;
        objB.instance = objA;

        objA = null;
        objB = null;

        //这时发生GC，objA和objB能否被回收？
        System.gc();
    }
}

运行结果：

[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 7432K->728K(38400K)] 7432K->736K(125952K), 0.0012008 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 728K->0K(38400K)] [ParOldGen: 8K->667K(87552K)] 736K->667K(125952K), [Metaspace: 3491K->3491K(1056768K)], 0.0044445 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
Heap
 PSYoungGen      total 38400K, used 333K [0x00000000d5c00000, 0x00000000d8680000, 0x0000000100000000)
  eden space 33280K, 1% used [0x00000000d5c00000,0x00000000d5c534a8,0x00000000d7c80000)
  from space 5120K, 0% used [0x00000000d7c80000,0x00000000d7c80000,0x00000000d8180000)
  to   space 5120K, 0% used [0x00000000d8180000,0x00000000d8180000,0x00000000d8680000)
 ParOldGen       total 87552K, used 667K [0x0000000081400000, 0x0000000086980000, 0x00000000d5c00000)
  object space 87552K, 0% used [0x0000000081400000,0x00000000814a6cf0,0x0000000086980000)
 Metaspace       used 3497K, capacity 4498K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 387K, capacity 390K, committed 512K, reserved 1048576K

从运行结果看，GC日志中包含“7432K->736K”，意味着虚拟机并没有因为两个对象互相引用就不回收它们，而说明虚拟机并不是通过引用计数算法来判断对象是否存活的。

可达性分析算法

在很多程序语言的主流实现中，都是通过可达性分析（Reachability Analysis）来判定对象是否存活的。这个算法的基本思想是：通过一系列的称为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链（Reference Chain），当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连（用图论的话说就是从GC Roots到这个对象不可达）时，则证明此对象是不可用的。

如下图所示，对象Object 5、Object 6、Object 7虽然互相关联，但是它们到GC Roots是不可达的，所以它们将被判定为可回收的对象：

在 Java 中，可作为 GC Roots 的对象有以下几种：

• 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。
• 方法区中类静态属性引用的对象。
• 方法区中常量引用的对象。
• 本地方法栈中 JNI（即一般说的 Native 方法）引用的对象。

对象的自我救赎

在可达性分析算法中不可达的对象也不是“必死无疑”的，这时它们会暂时处于“缓刑”阶段，要真正宣告死亡，至少要经历两次标记过程：第一次标记是当进行可达性分析后发现没有与GC Roots相连的引用链，就标记一次；然后如果对象覆盖了finalize()方法并且还未执行过，对象就会被放入一个叫F-Queue的队列中，会有一个单独的线程依次执行队列中对象的finalize()方法，finalize()方法是对象最后一次自我救赎的机会，只要跟GC Roots引用链上的任意对象建立关联，就可逃脱死亡，F-Queue的队列中的对象会被第二次标记。两次标记过后如果对象还没有逃脱，那基本上它就真的被回收了。

以下代码是对象一次自我救赎的演示：

/**
 * 对象的一次自我救赎
 * 1. 对象可以在GC时自我救赎
 * 2. 这种机会只有一次，因为一个对象的finalize()方法至多会被调用一次
 * */
public class FinalizeEscapeGC {

    public static FinalizeEscapeGC SAVE_HOOK = null;

    public void isAlive(){
        System.out.println("yes, i am still alive");
    }

    @Override
    protected void finalize() throws Throwable{
        super.finalize();
        System.out.println("finalize method executed");
        //把自己赋值给类变量，即与GC Roots建立了关联
        FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK = this;
    }

    public static void main(String[] args) throws Throwable{
        SAVE_HOOK = new FinalizeEscapeGC();

        //对象第一次自我救赎
        SAVE_HOOK = null;
        System.gc();
        Thread.sleep(500);
        if(SAVE_HOOK != null) {
            SAVE_HOOK.isAlive();
        } else {
            System.out.println("no, i am dead");
        }

        //第二次自我救赎失败，因为finalize()只执行一次
        SAVE_HOOK = null;
        System.gc();
        Thread.sleep(500);
        if(SAVE_HOOK != null) {
            SAVE_HOOK.isAlive();
        } else {
            System.out.println("no, i am dead");
        }
    }
}

运行结果：

finalize method executed
yes, i am still alive
no, i am dead

从运行结果可知，SAVE_HOOK对象的finalize()方法确实被垃圾收集器触发过，并且在被回收之前成功逃脱了。代码中两段相同的代码，第二次没有成功逃脱，是因为一个对象的finalize()方法只会被系统自动调用一次。另外，finalize()方法运行代价高昂，不确定性大，无法保证对象的调用顺序，所以不建议使用此方法，可以用try-finally替代。

方法区

方法区也存在垃圾收集，只不过这块内存区域的垃圾收集效率比较低。在JDK1.6及之前，方法区的垃圾收集主要回收两部分内容：废弃常量和无用的类。但在JDK1.7的时候运行时常量池挪到了Java堆中，所以现在方法区主要是回收无用的类。运行时常量的回收跟堆内存中其他对象的回收方法基本一致。

同时满足以下三个条件，才会被判定为无用的类：

• 该类所有的实例都已经被回收，也就是Java堆中不存在该类的任何实例。
• 加载该类的ClassLoader已经被回收。
• 该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

虚拟机可以对满足以上3个条件的无用类进行回收，也仅仅是“可以”，并不是一定会回收。是否对类进行回收，HotSpot虚拟机提供了-Xnoclassgc参数进行控制。在大量使用反射、动态代理、CGLib等ByteCode框架、动态生成JSP以及OSGi这类频繁自定义ClassLoader的场景，都需要虚拟机具备类卸载的功能，以保证方法区不会溢出。

本文代码的 Github Repo 地址：https://github.com/cellei/JVM-Practice